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Dichtungen mit erweiterten Eigenschaften durch die Kombination funktionsoptimierter
Werkstoffe
Freudenberg Sealing Technologies
Lead Center Fluid Power Industry
Martin Goerres
Dr. Edgar Freitag
Jürgen Jäckel
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3
Inhalt
Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen1
Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung2
Beispiel HDR-2C3
Zusammenfassung4
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5
Inhalt
Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen1
Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung2
Beispiel HDR-2C3
Zusammenfassung4
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6
Funktionen und Werkstoffanforderungen
1. HaftsitzVerhindern von axialen Bewegungen der Dichtung im
Einbauraum.� Hohe Steifigkeit, geringe bleibende Verformung und hohe
Reibung2. Statische DichtheitVerhindern von Leckage über den Nutgrund. Sicherstellung des Druckaufbaus.� Gute Elastizität und hohe Anpresskraft3. Dynamische Dichtheit auch bei tiefen Temperature nVerhindern von Leckage über die bewegte Stange.
Sicherstellung des Druckaufbaus. Verhindern von Leckage bei seitlicher Auslenkung.� Sehr gute dynamische Eigenschaften, geringe Relaxation
auch in der Kälte, niedrige Reibung, Verschleißfestigkeit4. ExtrusionsfestigkeitVerhindern, dass die Dichtung durch hohen Druck bei hoher
Temperatur in den Spalt extrudiert. � Hohe Steifigkeit und Härte, hohe Temperaturstabilität
1 2
1 2
3
3
3
4
4
4
1 2
1 2
3
3
3
4
4
4
Fahne
Riss
dxdp
Unterschiedliche Funktionen erfordern unterschiedli che, z.T.gegenläufige Werkstoffeigenschaften - Stangendichtun gen
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7
Funktionen und Werkstoffanforderungen
1. HaftsitzVerhindern von Mitrotieren der Dichtung im Einbauraum.� Hohe Reibung, geringe bleibende Verformung2. Statische DichtheitVerhindern von Leckage über den Nutgrund. Sicherstellung des Druckaufbaus.� Gute Elastizität und hohe Anpresskraft3. Dynamische Dichtheit auch bei tiefen Temperature nVerhindern von Leckage über die rotierende Welle.Sicherstellung des Druckaufbaus. � niedrige Reibung, gute dynamische Eigenschaften4. Dynamische Aktivierung des GleitelementsSicherstellung der Anpressung von statischer und dynamischer Dichtkante.� Sehr gute dynamische Eigenschaften, geringe Relaxation auch in der
Kälte5. Extrusions- und VerschleißfestigkeitVerhindern, dass die Dichtung durch hohen Druck bei hoher Temperatur in
den Spalt extrudiert.Sicherstellung der Lebensdauer durch hohe Verschleißfestigkeit.� Hohe Steifigkeit und Härte, hohe Temperaturstabilität� Hohe Verschleißfestigkeit, bzw. geringe Abrasionsneigung
1
35
2
1
35
2
1 2
4
4
Unterschiedliche Funktionen erfordern unterschiedli che, z.T. gegenläufige Werkstoffeigenschaften - Rotordichtunge n
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8
Inhalt
Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen1
Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung2
Beispiel HDR-2C3
Zusammenfassung4
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9
Stand der Technik - Stangendichtungen:Einsatz eines Werkstoffs oder Verwendung von Backri ngen
2. Verwendung eines Backrings- Längerer Bauraum (selten bei Teilbackring)- schwierige Montage bei ungeschlitztem Ring- Gefahr des Anknabberns bei geschlitztem Ring
LF 300
NI 300
T 20
1. Verwendung eines Werkstoffs- Kompromiss bzgl. der gegenläufigen Anforderungen
Syprim SM
T 23
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10
Optimale Lösung:Einsatz funktionsgerechter Werkstoffe
- zwei Polyurethane eine Dichtung: HDR-2C -
hohe Kälteflexibilitäthohe Dichtheitniedrige Reibunghohe Verschleißfestigkeit
hohe ExtrusionsfestigkeitTemperaturbeständigkeit
92 AU 21100geringe bleibende Verformunghohe Dichtheit
sehr guter Haftsitz
98 AU 928
sehr gute Bindungohne Bindemittel
Eigenschaft Norm 92 AU 21100 98 AU 928 StandardHärte DIN 53505 Shore A 93 98 94 - 95Härte DIN 53505 Shore D 40 55 43 - 45Zugfestigkeit DIN 53504 MPa 56 53 62 - 65Bruchdehnung DIN 53504 % 680 360 450 - 500Spannwert bei 50% Dehnung DIN 53504 MPa 8,7 18,6 9 - 10Spannwert bei 300% Dehnung DIN 53504 MPa 15,7 38 20 - 23Rückprallelastizität DIN 53512 % 45 38 - 42Weiterreißfestigkeit Graves DIN 53515 N/mm 95 138 82 - 88DVR 24h/100° % 34 38 36 - 39
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11
Rotomatic M 15
Stand der Technik - Rotordichtungen:Einsatz eines Werkstoffs oder Verwendung von Backri ngen
1. Verwendung eines Werkstoffs- Kompromiss bzgl. der gegenläufigen
Anforderungen- vergleichsweise geringe Belastbarkeit
2. Verwendung mehrteiliger Dichtelemente- Gefahr von Relativdrehung der einzelnen
Dichtungselemente- teilweise komplexe oder filigrane Montage- Gefahr des Anknabberns bei geschlitztem
Backring
Rotomatic M 19
Kompaktdichtsatz mitGewebearmierung undWinkelbackringen
Radial-Nutringe
Compact-Dichtungen
WasserabweiserTyp WA
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12
Optimale Lösung: Einsatz funktionsgerechter Werksto ffe- zwei Polyurethane eine Dichtung: CSDD-2C -
Verschleiß- und temperaturfestes Polyurethan für die Kontaktfläche:
98 AU 928
Weiches Material mit geringem Druckverformungsrest zur Aktivierung: 92 AU 21100
Spezielle Gestaltung der Gleitfläche zur Förderung der Schmierung (Reduktion Mr, T)
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13
Optimale Lösung: Einsatz funktionsgerechter Werksto ffe- zwei Polyurethane eine Dichtung: CSDD-2C -
Nuten zur Sicherstellung der Aktivierung bei Druckwechselbelastung
Chemische und mechanische Verbindung, um Relativdrehung der
beiden Elemente zu vermeiden
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14
Inhalt
Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen1
Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung2
Beispiel HDR-2C3
Zusammenfassung4
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16
WLF Transformation des dynamischen Speichermodul
Speichermodul - G' vom TPU Typ A
-1,5 -0,5 0,5 1,5 2,5
log f
G' n
orm
T0T1
T2
T3
Nor
mie
rter
Sch
ubm
odul
Speichermodul - G' vom TPU Typ A
-1,5 -0,5 0,5 1,5 2,5
log f
G' n
orm
T0T1
T2
T3
Speichermodul - G' vom TPU Typ A
-1,5 -0,5 0,5 1,5 2,5
log f
G' n
orm
Speichermodul - G' vom TPU Typ A
-1,5 -0,5 0,5 1,5 2,5
log f
G' n
orm
T0T1
T2
T3
Nor
mie
rter
Sch
ubm
odul
Masterkurve des Speichermodul - G' vom TPU Typ A
-16 -12 -8 -4 0 4
log a T f
G' n
orm
)(
)()lg(
02
01
TTc
TTcfaT −+
−⋅=⋅
Nor
mie
rter
Sch
ubm
odul
Masterkurve des Speichermodul - G' vom TPU Typ A
-16 -12 -8 -4 0 4
log a T f
G' n
orm
)(
)()lg(
02
01
TTc
TTcfaT −+
−⋅=⋅
Masterkurve des Speichermodul - G' vom TPU Typ A
-16 -12 -8 -4 0 4
log a T f
G' n
orm
Masterkurve des Speichermodul - G' vom TPU Typ A
-16 -12 -8 -4 0 4
log a T f
G' n
orm
)(
)()lg(
02
01
TTc
TTcfaT −+
−⋅=⋅
Nor
mie
rter
Sch
ubm
odul
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17
Vergleich der dynamischen Speichermodule als Funktion der Temperatur und Frequenz von Standard- und Tieftemperaturpolyurethan
1,E-16 1,E-08 1,E+00 1,E+08 1,E+16
Frequenz (Hz)
Standard / 20°C
Standard / -30°C
92AU21100 / 20°C
92AU21100 / -30°C
0
50
100
150
200
250
300
350
-50 0 50 100
Temperatur (°C)
Nor
mie
rter
Sch
ubm
odul
92Au21100 / 63Hz
92AU21100 / 0,1Hz
Standard / 63Hz
Standard / 0,1Hz
Nor
mie
rter
Sch
ubm
odul
Nor
mie
rter
Sch
ubm
odul
1,E-16 1,E-08 1,E+00 1,E+08 1,E+16
Frequenz (Hz)
Standard / 20°C
Standard / -30°C
92AU21100 / 20°C
92AU21100 / -30°C
0
50
100
150
200
250
300
350
-50 0 50 100
Temperatur (°C)
Nor
mie
rter
Sch
ubm
odul
92Au21100 / 63Hz
92AU21100 / 0,1Hz
Standard / 63Hz
Standard / 0,1Hz
Nor
mie
rter
Sch
ubm
odul
Nor
mie
rter
Sch
ubm
odul
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19
Vergleich der 3D-FEM Berechnungen des Öffnungsspalt es zwischen Dichtkante und Stange bei stufenförmiger Weg-Zeit-A nregung- HDR-2C bei T = -30°C, ohne Druck
-0,2
-0,15
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,001 0,01 0,1 1 10
Zeit (s)
Weg
(m
m)
Weg 21100 in mm
Spalthöhe 21100 in mm
Weg Welle in mm
Weg Standard in mm
Spalthöhe Standard in mm
1180° 0°
11180° 0°0°180° 0°180°
s(t)
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21
HDR-2C 60-75-10: experimentelle Untersuchung der Extrusionsfestigkeit
Untersuchte Betriebsparameter
p = 250, 320, 400, 500 barT = 60, 80, 100, 120 °Cv = 0,3 m/sZ = 50 000 DHHLP Shell Tellus 46Einbauraum 60 – 75 – 11300 untersuchte Dichtungen
Variation: Spaltdurchmesser dSPSpalt = 0,25 …. 1,5 mmSpaltradius RSP = 0,10…. 0,5 mm
RSP = 0,3 mm
RSP
Spalt
Druck
2NSP dd
Spalt−= dNdSP
RSP
Spalt
Druck
2NSP dd
Spalt−= dNdSP
98 AU 928 92 AU 21100
61,4 R0,3
100 °C / 400 bar
+ Fahne- Riss
100 °C / 400 bar
60,5 R0,1 61,4 R0,3
100 °C / 400 bar
+ Fahne- Riss
100 °C / 400 bar
60,5 R0,1
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22
Vergleich der Spaltextrusion von Nutringen aus Standardpolyurethan mit HDR-2C, radialer Spalt = 0, 3 mm .. 0,7 mm
Druck = 400 bar, Temperatur = 100°C, Zyklen = 50000 DH, v=0,3 m/s, Spaltradius 0,3 mm, Differentialbetrieb
Spaltmaß 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Ausfall bei DH Dichtung 150.000 DH
Dichtung 58.750 DH
Dichtung 716.200 DH
Dichtung 94.225 DH
Dichtung 350.000 DH
Nutringe aus Standard Polyurethan
HDR – 2Ckein Ausfall50.000 DH
Spaltmaß 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
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26
Einfluss des Drucks und der Spaltweite auf die Extr usion- p = 250 bar .. 400 bar, T = 60°C, radialer Spalt 0 ,4 mm .. 1,5 mm
400 bar
D 150.000 DH
D 550.000 DH
D 350.000 DH
0,7mm 0,8mm 0,9mm 0,4mm 0,5mm 0,6mm
D 650.000 DH
D 850.000 DH
D 1050.000 DH
0,8mm 0,9mm 1,0mm
D 150.000 DH
D 550.000 DH
D 750.000 DH
D 350.000 DH
1,25mm 0,6mm 0,7mm
D 850.000 DH
D 1050.000 DH
320 bar
Spalt
Spalt
Spalt
D 150.000 DH
D 550.000 DH
D 750.000 DH
D 950.000 DH
D 350.000 DH
1,0mm 1,25mm 1,5mm 1,0mm 1,25mm
D 1050.000 DH
0,8mm
250 bar
400 bar
D 150.000 DH
D 550.000 DH
D 350.000 DH
0,7mm 0,8mm 0,9mm 0,4mm 0,5mm 0,6mm
D 650.000 DH
D 850.000 DH
D 1050.000 DH
0,8mm 0,9mm 1,0mm
D 150.000 DH
D 550.000 DH
D 750.000 DH
D 350.000 DH
1,25mm 0,6mm 0,7mm
D 850.000 DH
D 1050.000 DH
320 bar
Spalt
Spalt
Spalt
D 150.000 DH
D 550.000 DH
D 750.000 DH
D 950.000 DH
D 350.000 DH
1,0mm 1,25mm 1,5mm 1,0mm 1,25mm
D 1050.000 DH
0,8mm
250 bar
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27
Radiale Grenzspaltweiten für HDR-2C, Profil S = 7,5 mm
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
200 250 300 350 400 450 500 550
Druck (bar)
Spa
lt (m
m)
7,5 / 100°C HDR-2C
7,5 / 80°C
7,5 / 60°C
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28
Vergleich der zulässigen Spaltweite von Nutringen a us Standard-werkstoff mit HDR-2C und Nutringen mit Backringen be i T = 100 °C
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
150 200 250 300 350 400 450 500
Druck (bar)
Spa
lt (m
m)
Standard Nutring
Nutring mit Backring
HDR-2C
Kritischer Bereich für metallisches Anlaufen
Spaltradius 0,2 – 0,3mm
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29
Inhalt
Funktionen und Werkstoffanforderungen von Hydraulikdichtungen1
Funktionsoptimierte Werkstoffe – zwei Polyurethane, eine Dichtung2
Beispiel HDR-2C3
Zusammenfassung4
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30
Zusammenfassung
Die unterschiedlichen Funktionen einer Dichtung stellen unterschiedliche, z.T. gegenläufige Anforderungen an den Dichtungswerkstoff.
Durch die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe können diese gegenläufigen Anforderungen erfüllt werden.
Erst mit dem festen Verbund der Werkstoffe kann eine optimale Lösung erzielt werden, bei der die Vorteile der Werkstoffkombination voll zum Tragen kommen.
Merkel Freudenberg bietet die Kombination des Prozess- und Werkstoff-Know-Hows.
Dies ermöglicht maßgeschneiderte Lösungen nicht nur „vom Lager“ sondern auch kundenspezifische Produkte.
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31
Zusammenfassung - Kundennutzen
Die Kombination funktionsgerechter Werkstoffe bietet dem Kunden zahlreiche Vorteile – z. B.:
� Einsatz von „High-Performance“-Dichtungen in Standard-Einbauräumen zur Leistungssteigerung des Endprodukts
� Gesteigerte Leistungsdichte durch höhere Drücke oder Maximaltemperaturen bei gleichen Spaltmaßen
� Kostensenkung in der Fertigung durch Erweiterung der Fertigungstoleranzen
� Erweiterung des Einsatzspektrums zu niedrigeren Minimaltemperaturen bei gleicher Belastungsfrequenz
� Steigerung der Belastungsfrequenz bei gleichbleibenden Temperaturen
� Erhöhte Zuverlässigkeit
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Danksagung
Vielen Dank an
Dr. Edgar Freitag,Jürgen Jäckel (LC Fluid Power Industry) undGuido Hohmann (Freudenberg Forschungsdienste KG),
die dazu beigetragen haben, dass dieser Vortrag entstand.
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Literaturquellen
(1) Dr. Edgar Freitag, Jürgen Jäckel, Guido HohmannHDR-2C Two-Component Polyurethane Seal for Extreme Loads,15th ISC, Stuttgart, October 7th – 8th 2008
(2) Dr. Edgar Freitag, Jürgen Jäckel, Guido HohmannDichtung mit System - HDR-2C – Eine Dichtung für extremeBelastung , O+P 5/2009, Vereinigte Fachverlage GmbH, Mainz,2009
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Kontakt:Dipl.-Ing. M. GoerresLeiter ProduktentwicklungLead Center Fluid Power IndustryMerkel Freudenberg Fluidtechnic GmbHAscheröder Str. 5734613 SchwalmstadtEmail: [email protected]: +49 6691 / 208 - 184